专利名称：一种用于斜拉桥索力检测的基频识别方法
技术领域：
本发明涉及一种索力检测方法，尤其是涉及一种用于斜拉桥索力检测的基频识别方法。
背景技术：
拉索系统是斜拉桥重要的承力构件，拉索系统在桥梁动载和风雨作用下引起的随机 性振动，会造成拉索的疲劳破坏，降低拉索疲劳寿命，从而严重影响桥梁的安全运行。 目前，在斜拉桥索力监测与状态评估的测量方法中通常采用基于环境振动的自功率谱
法，关键在于准确识别不同条件下斜拉桥拉索的基频，该方法主要根据r-4^丄V^式中 的拉索索力r和基频/的关系，通过对设置在斜拉桥拉索上的加速度传感器拾取的拉
索随机振动信号进行自功率谱分析，得到拉索振动信号的基频y;后，再计算出拉索索力，
从而根据拉索索力判断斜拉桥的安全性能，.但由于环境振动的随机性、变异性大，功率 谱的真实峰值不易识别，拉索的基频很低，以及功率谱的低频段常与桥面板或桥塔基频 耦合，造成基频识别模糊，索力检测精确度不高等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能有效提高基频识别清晰度和提高拉索索 力检测精确度的斜拉桥索力检测的基频识别方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为 一种用于斜拉桥索力检测的基频识 别方法，斜拉桥拉索上设置有加速度传感器，斜拉桥桥面上设置有与所述的加速度传感 器连接的控制箱，所述的控制箱内设置有信号调理模块、数据采集卡和基频产生模块，
所述的基频产生模块包括FFT (The Fast Fourier Transform,快速傅立叶变换)模块、自
功率谱模块、倒频谱模块和比较模块，它包括以下步骤
1) 、通过加速度传感器实时获取拉索的振动加速度响应时程信号；
2) 、通过信号调理模块对当前时段的振动加速度响应时程信号进行滤波处理，得到 时域信号，并对时域信号进行平滑处理；3) 、通过数据采集卡中的多路开关将平滑处理后的时域信号进行分时采样，得到离 散时间序列；
4) 、 FFT模块通过离散时间信号的傅立叶变换对离散时间序列进行FFT变换，得到 拉索的平均频谱；
5) 、根据拉索的平均频谱，通过自功率谱模块获得拉索的第一基频y;，通过倒频谱 模块获得拉索的第二基频y;';
6) 、根据第一基频/和第二基频乂'，通过比较模块判断,《^是否小于等
(,+, ) /
/2
于设定的阀值，如果是，则确定拉索的基频/=(乂+/;')%，并输出拉索的基频/;
否则，跳转步骤2)对下一个振动加速度响应时程信号继续执行。
所述的信号调理模块包括放大衰减电路、隔离电路和滤波电路，所述的振动加速度 响应时程信号的幅度通过所述的放大衰减电路的放大器放大，并对放大后的振动加速度 响应时程信号通过所述的隔离电路进行电气隔离，再对电气隔离后的振动加速度响应时 程信号通过所述的滤波电路中的低通滤波器和抗混滤波器进行滤波处理得到时域信号 和频域信号。
所述的低通滤波器为5阶巴特沃思低通滤波器。
所述的拉索的第一基频y;的获取的具体过程为①从自功率谱频谱图中选取一个靠
近基频的谐振峰，获取该谐振峰的频率厶，M为整数；②判断该谐振峰的频率/"与该谐
振峰前的谐振峰/ _,的频率之比是否为"-/,且该谐振峰的频率厶与该谐振峰后的谐振 峰/ +,的频率之比是否为"+/，其中/为1 "-i之间的整数，如果是，则通过,=/ "
计算得到第一基频乂；否则，继续执行；③计算"-n + l或"-n-1，跳转执行步骤②。
所述的拉索的第二基频y;'的获取的具体过程为对平滑处理后的时域信号的自功 率谱进行逆傅立叶变换计算得到时域信号的倒频谱，从倒频谱频谱图中获取任意相邻的 两个谐振峰的频率，并计算相邻的两个谐振峰的频率差值的绝对值/'，根据/'通过
=)/,计算得到第二基频y;'。
与现有技术相比，本发明的优点在于由于通过自功率谱模块获得的第一基频，通过 倒频谱模块获得的第二基频，然后再利用比较模块来判断第一基频和第二基频之差的绝 对值与第一基频和第二基频之和的二分之一的商是否小于等于设定的阀值，从而来确定 拉索的基频为第一基频和第二基频之和的二分之一，大大提高了获得的基频的准确度和 精确度；由于通过加速度传感器实时获得的振动加速度响应时程信号先经过信号调理模 块进行滤波和平滑处理，有效抑制了振动加速度响应时程信号中的由环境造成的噪声， 提高了斜拉桥索力监测系统的抗干扰能力，从而使得识别的基频更为清晰和精确。
图1为本发明方法的流程图； 图2为加速度响应时程信号图3a为5阶巴特沃思低通滤波器的幅频特性曲线图; 图3b为5阶巴特沃思低通滤波器的相位特性曲线图; 图3c为5阶巴特沃思低通滤波器的冲击响应图。
具体实施例方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
一种斜拉桥索力检测的基频识别方法，在斜拉桥拉索上设置有加速度传感器，斜拉 桥桥面上设置有与加速度传感器连接的控制箱，控制箱内设置有信号调理模块、数据采 集卡和基频产生模块，信号调理模块为加速度传感器提供工作电压，基频产生模块包括 FFT模块、自功率谱模块、倒频谱模块和比较模块，如图1所示，它包括以下步骤
1) 、通过加速度传感器实时获取拉索的振动加速度响应时程信号，如图2所示；
2) 、通过信号调理模块对当前时段的振动加速度响应时程信号进行滤波处理，得到 时域信号，并对时域信号进行平滑处理；
其中信号调理模块包括放大衰减电路、隔离电路和滤波电路，由于加速度传感器获 取的振动加速度响应时程信号的幅度比较小，所以通过放大衰减电路的放大器将其幅度 进行放大，提高了测量精度；然后对放大后的振动加速度响应时程信号通过隔离电路进 行电气隔离，电气隔离有效地抑制了数据采集卡不合适的接地，避免了因数据采集卡不 合适的接地影响测量精度，避免了高的共模电压，有效地保护了数据采集卡，本实施例 中，隔离电路中采用了一种通用的、双端口的变压器耦合的AD202隔离放大芯片，该 AD202隔离放大芯片包括信号隔离和电源隔离；再对电气隔离后的振动加速度响应时程 信号通过滤波电路中的低通滤波器和抗混滤波器进行滤波处理得到时域信号和频域信 号；最后对滤波后得到的时域信号进行平滑处理，有效地抑制了白噪声；
3) 、通过数据采集卡中的多路开关将平滑处理后的时域信号;c(O进行分时采样，得
到离散时间序列<"), = 1，2,3...;本实施例中采用了北京中泰研创科技有限公司的
PM511P多功能数据采集卡，该数据采集卡是一块PC104总线的多功能数据采集卡， 最高采样频率可达40MHz，具有12位A/D转换器，通过12位A/D转换器将离散
时间序列4w)转换为幅值离散化的数字量，A/D转换器的量化误差为-，=丄><_^ = 0.012% ，式中，Ay("为A/D转换器环节造成的输出y的误差，
丄,为A/D转换器的输出范围；
4) 、 FFT模块利用窗函数将离散时间序列截成N个点，本实施例中截成1024个点， 然后通过离散时间信号的傅立叶变换进行FFT变换，得到拉索的平均频谱；
5) 、根据拉索的平均频谱，通过自功率谱模块获得拉索的第一基频y;，通过倒频谱 模块获得拉索的第二基频y;';
拉索的第一基频y;的获取的具体过程为①从自功率谱频谱图中选取一个靠近基频 的谐振峰，获取该谐振峰的频率厶，"为整数；②判断该谐振峰的频率y:与该谐振峰前 的谐振峰的频率之比是否为，且该谐振峰的频率/ 与该谐振峰后的谐振峰/ +, 的频率之比是否为"+z'，其中/为1 "-i之间的整数，如果是，则通过/=/ ^计算
得到第一基频y;;否则，继续执行；@计算"="+1或"="-1，跳转执行步骤②。
拉索的第二基频y;'的获取的具体过程为对平滑处理后的时域信号;cw的自功率
谱&(/)通过^("= F"[igl^r(/)1^ —F"[ig&(/"进行逆傅立叶变换计算得到时域
信号的倒频谱G"f)，式中义(/)为时域信号x")的傅立叶变换，这一变换过程是将复杂
的自功率谱先化为一系列巻积或乘积的形式，再通过取对数转化成简单和的形式，这样
能够很方便的识别出时域信号的组成分量，且能够更好的从中提取出有用的信号成分；
时域信号经倒频谱变换后，将原来自功率谱频谱图上成族的边频带谱线简化为单根谱 线，能识别出复杂自功率谱频谱图上的周期结构，分离和提取出密集泛频信号中的周期 成分，由于振动的拉索的自功率谱频谱图上的峰值具有明显的周期性特征，经过倒频谱 变换后，倒频谱频谱图中的谐振峰更加明显，从倒频谱频谱图中获取任意相邻的两个谐
振峰的频率，并计算相邻的两个谐振峰的频率差值的绝对值/'，根据/'通过
<formula>formula see original document page 8</formula>.计算得到第二基频/;'。
6)、根据第一基频乂和第二基频/;'，通过比较模块判断,《L是否小于等
(,+, ) /
/2
于设定的阀值，如果是，则确定拉索的基频<formula>formula see original document page 8</formula>,
并输出拉索的基频/; 否则，跳转步骤2)对下一个振动加速度响应时程信号继续执行，本实施例中设定的阀
值为5%，在工程上误差在5%之内是可以被接受的。
滤波电路对电气隔离后的振动加速度响应时程信号进行滤波的过程中，对于来自于
电力线或机器设备的频率在50Hz或60Hz的噪声，本实施例采用低通滤波器来实现， 由于加速度传感器获取的振动加速度响应时程信号的有效成份集中在低频段，结合巴 特沃思(Butterworth)滤波器在截止频率段内有最大平坦的幅度特性的特点，设 计了一个5阶巴特沃思(Butterworth)低通滤波器，其频率特性、相位特性、 冲击响应分别如图3a、 3b和3c所示；对于采样率较低而引起的信号混叠，本实 施例在采样前通过MAX293抗混滤波器来消除所有频率超过1/2采样率的振动加 速度响应时程信号，MAX293抗混滤波器由模拟低通滤波器和数字滤波器组成， 模拟滤波器放置于A/D转换器的前面，用来消除信号通道位于A/D转换之间的高 频噪声和干扰，通过这种方式，转换的数字输出就能够消除混叠谐波信息，而数 字滤波器放置于A/D转换器的后面，通过采用平均技术来减少通带内频率上的噪 声。
权利要求
1、一种用于斜拉桥索力检测的基频识别方法，斜拉桥拉索上设置有加速度传感器，其特征在于斜拉桥桥面上设置有与所述的加速度传感器连接的控制箱，所述的控制箱内设置有信号调理模块、数据采集卡和基频产生模块，所述的基频产生模块包括FFT模块、自功率谱模块、倒频谱模块和比较模块，它包括以下步骤1)、通过加速度传感器实时获取拉索的振动加速度响应时程信号；2)、通过信号调理模块对当前时段的振动加速度响应时程信号进行滤波处理，得到时域信号，并对时域信号进行平滑处理；3)、通过数据采集卡中的多路开关将平滑处理后的时域信号进行分时采样，得到离散时间序列；4)、FFT模块通过离散时间信号的傅立叶变换对离散时间序列进行FFT变换，得到拉索的平均频谱；5)、根据拉索的平均频谱，通过自功率谱模块获得拉索的第一基频f1，通过倒频谱模块获得拉索的第二基频f1′；6)、根据第一基频f1和第二基频f1′，通过比较模块判断是否小于等于设定的阀值，如果是，则确定拉索的基频f＝(f1+f1′)/2，并输出拉索的基频f；否则，跳转步骤2)对下一个振动加速度响应时程信号继续执行。
2、 如权利要求1所述的一种用于斜拉桥索力检测的基频识别方法，其特征在于所述的信号调理模块包括放大衰减电路、隔离电路和滤波电路，所述的振动加速度响应时 程信号的幅度通过所述的放大衰减电路的放大器放大，并对放大后的振动加速度响应时 程信号通过所述的隔离电路进行电气隔离，再对电气隔离后的振动加速度响应时程信号 通过所述的滤波电路中的低通滤波器和抗混滤波器进行滤波处理得到时域信号和频域 信号。
3、 如权利要求2所述的一种用于斜拉桥索力检测的基频识别方法，其特征在于所 述的所述的低通滤波器为5阶巴特沃思低通滤波器。
4、 如权利要求1所述的一种用于斜拉桥索力检测的基频识别方法，其特征在于所述的拉索的第一基频f1的获取的具体过程为①从自功率谱频谱图中选取一个靠近基频的谐振峰，获取该谐振峰的频率fn，n为整数；②判断该谐振峰的频率fn与该谐振峰前的谐振峰fn-1,的频率之比是否为n-i，且该谐振峰的频率fn与该谐振峰后的谐振峰fn+i,的频率之比是否为n+i，其中i为1 n-1之间的整数，如果是，则通过f1=fn/n"计算得到第一基频f1;;否则，继续执行；(3)计算n=n+ 1或n=n-1，跳转执行步骤②。
5、如权利要求1所述的一种用于斜拉桥索力检测的基频识别方法，其特征在于所述的拉索的第二基频f1的获取的具体过程为对平滑处理后的时域信号的自功率谱进 行逆傅立叶变换计算得到时域信号的倒频谱，从倒频谱频谱图中获取任意相邻的两个谐 振峰的频率，并计算相邻的两个谐振峰的频率差值的绝对值f，根据f通过f1 =1/f.计算得到第二基频f1。
全文摘要
本发明公开了一种斜拉桥索力检测的基频识别方法，通过自功率谱模块获得的第一基频，通过倒频谱模块获得的第二基频，然后再利用比较模块来判断第一基频和第二基频之差的绝对值与第一基频和第二基频之和的二分之一的商是否小于等于设定的阀值，从而来确定拉索的基频为第一基频和第二基频之和的二分之一，本方法大大提高了获得的基频的准确度和精确度；此外，由于加速度传感器获得的振动加速度响应时程信号先经过信号调理模块进行滤波和平滑处理，有效抑制了振动加速度响应时程信号中的由环境造成的噪声，提高了斜拉桥的抗干扰能力，从而使得识别的基频更为清晰和精确。
文档编号G01L5/10GK101201282SQ20071030027
公开日2008年6月18日 申请日期2007年12月20日 优先权日2007年12月20日
发明者冯志敏, 陈再发 申请人:宁波大学